楊 曉 東

(江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)有限公司, 江蘇 常州 213000)

屋面露天場(chǎng)所的直接雷擊防護(hù)

楊 曉 東

(江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)有限公司, 江蘇 常州 213000)

設(shè)置在屋面的露天活動(dòng)場(chǎng)所,即使按照規(guī)范要求已設(shè)置接閃器,但依據(jù)滾球法和雷閃數(shù)學(xué)模型的原理,屋面人員仍可能直接遭受雷擊而產(chǎn)生傷亡。針對(duì)此情況,進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的計(jì)算分析。依據(jù)計(jì)算結(jié)果,采用風(fēng)險(xiǎn)管理的方法提出相應(yīng)的防護(hù)措施,以降低雷擊的傷害。

屋面露天場(chǎng)所; 直接雷擊; 接閃器保護(hù)范圍; 風(fēng)險(xiǎn)管理

0 引 言

由于城市用地緊張及成本上升,越來(lái)越多的建筑開始開發(fā)屋頂,作為停車場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)或用于經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。屋面人員在這樣的屋面露天場(chǎng)所長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng),有可能遭受直接雷擊而造成傷亡,所以須加以適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)。

1 規(guī)范對(duì)屋面露天場(chǎng)所的相關(guān)要求

JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中第11.5.5條要求:屋面露天汽車停車場(chǎng)應(yīng)采用避雷針、架空避雷線(網(wǎng))作接閃器,且應(yīng)使屋面車輛和人員處于接閃器保護(hù)范圍內(nèi)。該條文僅針對(duì)屋面的露天汽車停車場(chǎng)。

2 接閃器保護(hù)范圍的含義

接閃器的保護(hù)范圍可采用網(wǎng)格法和滾球法來(lái)確定。上述場(chǎng)所中,由于使用需要或美觀要求,很多情況下不采用架空接閃帶(線)作接閃器,而只會(huì)設(shè)置不定數(shù)量和形狀的接閃桿、接閃帶或金屬構(gòu)件,此時(shí)一般采用滾球法。

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.12條規(guī)定:用許多防雷導(dǎo)體(通常是垂直和水平導(dǎo)體)蓋住需要防雷的空間,即用一定半徑的球體滾過(guò)上述防雷導(dǎo)體時(shí)不會(huì)觸及需要防雷的空間,通常被稱為滾球法。滾球法基于雷閃數(shù)學(xué)模型(電氣—幾何模型),其關(guān)系式為

(1)

式中:hr——雷閃的最后閃絡(luò)距離(擊距),即滾球半徑,m;

I——得到保護(hù)的最小雷電流幅值,kA。

當(dāng)雷電流≥I時(shí),閃電將擊于接閃器,即被接閃器截收;當(dāng)雷電流

3 屋面人員直接遭受雷擊的情況分析

即使按GB 50057—2010規(guī)定的滾球半徑來(lái)設(shè)置接閃器,保護(hù)范圍覆蓋了整個(gè)建筑(包括屋面),也還是有部分閃電會(huì)穿過(guò)接閃器。這部分閃電的電流幅值較小,擊中建筑物后對(duì)結(jié)構(gòu)主體和建筑物內(nèi)的人、物產(chǎn)生的危害較小,造成損失的概率較低。所以,發(fā)生這種情況的風(fēng)險(xiǎn)往往是可以承受的。

但是,對(duì)于暴露于屋面露天場(chǎng)所的人員,這部分閃電穿過(guò)接閃器的攔截后,就可能直接擊中人體。雖然其電流幅值屬于閃電中較小的,但人體已不能承受(與45 m滾球半徑對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為10 kA)。一旦被擊中,就可能受傷甚至死亡。

所以,有必要對(duì)屋面露天場(chǎng)所的人員直接遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,即使人員都在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。

4 常用雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指為了衡量風(fēng)險(xiǎn)而對(duì)特定風(fēng)險(xiǎn)做評(píng)價(jià)與估算的過(guò)程。風(fēng)險(xiǎn)管理依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果,結(jié)合各種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及其他有關(guān)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管理決策,并采取相應(yīng)控制措施的過(guò)程。

按雷擊點(diǎn)的不同位置,雷擊造成損害的原因分為以下四種。S1:雷擊建筑物;S2:雷擊建筑物附近;S3:雷擊服務(wù)設(shè)施;S4:雷擊服務(wù)設(shè)施附近。

雷擊引起的基本損害類型分為以下三種。D1:人畜傷害;D2:物理?yè)p害;D3:電氣和電子系統(tǒng)故障。

雷擊引起的損失類型分為以下四種。L1:人身傷亡損失;L2:公眾服務(wù)損失;L3:文化遺產(chǎn)損失;L4:經(jīng)濟(jì)損失。

建筑物各類損失風(fēng)險(xiǎn)需考慮的各種風(fēng)險(xiǎn)分量如表1所示。

表1 建筑物各類損失風(fēng)險(xiǎn)需考慮的各種風(fēng)險(xiǎn)分量

各種風(fēng)險(xiǎn)分量都分別有計(jì)算方法,以RA1為例:

RA1=NDPALA

(2)

式中:RA1——雷擊建筑物造成的損失概率;

ND——雷擊建筑物年均危險(xiǎn)事件次數(shù);

PA——雷擊建筑物造成人畜傷害的概率;

LA——人畜傷害的損失率。

人身傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)R1=RA1+RB1+RC1+RM1+RU1+RV1+RW1+RZ1,標(biāo)準(zhǔn)容許的人身傷亡損失概率RT=10-5/a。在雷擊風(fēng)險(xiǎn)管理中,如果R1≤RT,則無(wú)需增加防護(hù)措施;如果R1>RT,則還需增加適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來(lái)降低R1。

5 屋面人員直接遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

根據(jù)屋面人員直接遭受雷擊的具體狀況,對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行調(diào)整,對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用的參數(shù)進(jìn)行重新定義和取值。

RF=NDPALA

(3)

式中:RF——雷擊屋面活動(dòng)空間造成人員傷亡損失的概率;

ND——雷擊屋面活動(dòng)空間年均危險(xiǎn)事件次數(shù);

PA——雷擊屋面活動(dòng)空間造成人員傷害的概率;

LA——人員傷害的損失率。

RF與RA1的區(qū)別如下:

(1)RA1為雷擊建筑物造成的損失概率,RF為雷擊屋面活動(dòng)空間造成的損失概率,兩者計(jì)算的雷擊部位不同。

(2)RA1為雷擊建筑物后因危險(xiǎn)的接觸電壓和跨步電壓導(dǎo)致的損失概率,RF為屋面活動(dòng)空間內(nèi)的人員直接遭受雷擊造成的損失概率,兩者計(jì)算的損失原因不同。

RF、RA1和其他風(fēng)險(xiǎn)分量一起計(jì)入R1,再與標(biāo)準(zhǔn)容許的人身傷亡損失概率RT進(jìn)行比較,以此決定是否還需增加防護(hù)措施。

需注意,由于屋面人員可接近防雷裝置(或直接接觸),容易因接觸電壓和跨步電壓而遭受電擊,計(jì)算RA1時(shí)要做相應(yīng)調(diào)整,或有針對(duì)性地增加保護(hù)措施,如對(duì)引下線做遮攔或絕緣處理、對(duì)地面加電位均衡措施等。

6 ND計(jì)算方法

ND=NGADCD/106

(4)

NG=0.1TD

AD=LW+6H(L+W)+9πH2

式中:NG——每年每平方公里雷擊大地的次數(shù);

AD——雷擊截收面積;

TD——當(dāng)?shù)氐哪昶骄妆┤?取35.7;

CD——建筑物的位置因子;

L、W——建筑物屋面的長(zhǎng)度、寬度;

H——建筑物屋面的高度加2.5 m。

所需計(jì)算的活動(dòng)空間是屋面至其上方2.5 m的高度(2.5 m為人體垂直伸展手掌時(shí),人體站立的地方距人體手指尖的高度)。

屋面用來(lái)作為活動(dòng)場(chǎng)所后,一般會(huì)把接閃器架高來(lái)對(duì)人員進(jìn)行防護(hù)。如果周邊接閃器的高度超過(guò)屋面2.5 m,則建筑屋面投影以外的雷擊將全部被接閃器截收,不會(huì)擊中屋面活動(dòng)空間,此時(shí)雷擊截收面積只考慮建筑屋面投影面積,即AD=LW。

CD按GB/T 21714.2—2008的表A.2取值。當(dāng)屋面周邊接閃器的高度超過(guò)屋面2.5 m時(shí),不再受周圍建筑物或樹木的影響,CD取1。

7 PA計(jì)算方法

PA=PTPF

(5)

式中:PT——雷擊屋面活動(dòng)空間造成人員傷害的概率,無(wú)保護(hù)措施時(shí)取1,采取一些保護(hù)措施后可降低此概率;

PF分兩種情況:

(1) 接閃器安裝位置低于或等于活動(dòng)空間上沿(屋面上方2.5 m)時(shí),活動(dòng)空間得不到任何保護(hù),PF取1。

(2) 接閃器安裝位置高于活動(dòng)空間上沿(屋面上方2.5 m)時(shí),不同位置(距接閃器的距離不同)的閃電穿過(guò)接閃器的概率不同。所以,PF為對(duì)屋面各點(diǎn)分別計(jì)算后得到的平均概率。

8 LA計(jì)算方法

LA=LT(nz/nt)tz/8 760

(6)

式中:LT——閃電擊中屋面活動(dòng)空間導(dǎo)致人員傷害的損失概率,按不同類型取值,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)取1,停車場(chǎng)取0.1;

nz/nt——屋面活動(dòng)空間內(nèi)人數(shù)占整個(gè)屋面人數(shù)的比例,取1;

tz——每年人們?cè)谖菝婊顒?dòng)空間內(nèi)存在的時(shí)間,h。

關(guān)于tz,本文學(xué)校運(yùn)動(dòng)場(chǎng)取1 800(9 h/d×200 d/a),商業(yè)配套的停車場(chǎng)取3 650(10 h/d×365 d/a)。

9 按雷電流幅值計(jì)算雷電發(fā)生概率

對(duì)于雷電流幅值與雷電發(fā)生概率的函數(shù)關(guān)系,IEC 62305-2:2010給出了部分?jǐn)?shù)據(jù)。大于某電流值的雷電發(fā)生概率如表2所示。用1減去表2中的概率值,就是小于某電流值的雷電發(fā)生概率,如表3所示。

本文的計(jì)算采用表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,得到雷電發(fā)生概率對(duì)雷電流幅值的連續(xù)函數(shù)。

口語(yǔ)交際是學(xué)生成長(zhǎng)過(guò)程中最為基礎(chǔ)的、最常用的交流方式，是學(xué)生展示自我、表述問(wèn)題的必備技能。學(xué)生的口語(yǔ)交際、溝通能力，無(wú)論是對(duì)于當(dāng)下的學(xué)習(xí)還是未來(lái)的成長(zhǎng)，都具有重要的意義。因此，新課程改革背景下，教師在小學(xué)語(yǔ)文的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)抓住學(xué)生語(yǔ)言訓(xùn)練的關(guān)鍵期，從多角度、多方面入手，培養(yǎng)學(xué)生的口語(yǔ)交際和表達(dá)能力，夯實(shí)學(xué)生的語(yǔ)言基礎(chǔ)，不斷拓展學(xué)生的語(yǔ)言思維、提高學(xué)生語(yǔ)言能力，促進(jìn)學(xué)生的自主發(fā)展和全面發(fā)展。本文中，筆者立足自身的語(yǔ)言訓(xùn)練實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索新課改下小學(xué)語(yǔ)文學(xué)生口語(yǔ)交際能力培養(yǎng)的有效對(duì)策。

表2 大于某電流值的雷電發(fā)生概率

表3 小于某電流值的雷電發(fā)生概率

10 屋面雷電發(fā)生平均概率PF的計(jì)算

根據(jù)滾球法原理,當(dāng)滾球半徑為r,接閃器位置比所要保護(hù)的平面高出h時(shí),可推得接閃器在該平面上能保護(hù)的最遠(yuǎn)距離為

d=[r2-(r-h)2]0.5=[h(2r-h)]0.5

(7)

若滾球半徑為r,接閃器與所要保護(hù)的平面上最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離為d時(shí),就要求接閃器位置比所要保護(hù)的平面高出為

h=r-(r2-d2)0.5

(8)

若接閃器位置比所要保護(hù)的平面高出h,接閃器與所要保護(hù)的平面上最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離為d時(shí),對(duì)應(yīng)的滾球半徑為

r=(d2+h2)/(2h)

(9)

如果接閃器已按45m滾球半徑對(duì)整個(gè)平面實(shí)施保護(hù),根據(jù)雷閃數(shù)學(xué)模型,45m滾球半徑對(duì)應(yīng)的雷電流幅值為10kA。由表3數(shù)據(jù)可知,90%的閃電被接閃器截收,其余10%的閃電(雷電流幅值<10 kA)將能穿過(guò)接閃器的攔截,擊中要保護(hù)的平面。

但上述概率只對(duì)應(yīng)距接閃器最遠(yuǎn)處(r=45 m),其他距接閃器較近處,依式(9)計(jì)算得r≤45 m,能穿過(guò)接閃器的閃電概率小于10%,須按該處的滾球半徑進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算得各處閃電穿過(guò)接閃器的概率后,再通過(guò)積分運(yùn)算就可算出整個(gè)平面上的平均概率,即風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要的PF。

11 影響PF的主要因素

影響PF數(shù)值的主要因素有以下幾種:

(1) 接閃器類型。重點(diǎn)討論兩種,一種是兩根平行安裝在同一高度的接閃帶,另一種是四根正方形布置的等高接閃桿。其他類型和布置方式的接閃器與此類似。

(2) 接閃器的安裝間距。最大滾球半徑為45 m時(shí),不同安裝間距下的PF值如表4所示。由表4可看出,安裝間距對(duì)PF的影響較小。

表4 不同安裝間距下的PF值

(3) 不同最大滾球半徑下的PF值如表5所示(安裝間距為10 m)。一般防雷設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)按某個(gè)滾球半徑(如45 m)對(duì)接閃器的保護(hù)范圍進(jìn)行復(fù)核,是否能全部覆蓋,此時(shí)最不利點(diǎn)(距接閃器最遠(yuǎn))的滾球半徑最大。由表5可看出,PF受最大滾球半徑的影響較大。

表5 不同最大滾球半徑下的PF值

12 案例分析

某商業(yè)配套的屋面停車場(chǎng)大小為85 m×42 m×10 m(長(zhǎng)×寬×高),已結(jié)合室外照明的燈桿裝設(shè)接閃桿,間距為8.4 m,對(duì)屋面上方2.5 m處實(shí)施保護(hù)(滾球半徑為45 m)。

ND=3.57×3 570×1/106=0.012 74

PA=1×0.016 24=0.016 24

LA=0.1×1×3 650/8 760=0.041 67

RF=0.862 1×10-5

雖然RF<1×10-5,但與其他風(fēng)險(xiǎn)分量一起計(jì)入R1后可能導(dǎo)致R1超標(biāo)。

按滾球半徑為45 m核算保護(hù)范圍,燈桿高度只需2.9 m,如果加高到3.5 m,最大滾球半徑為18.14 m,計(jì)算得PF=0.005 085,此時(shí)RF=0.27×10-5,這為將R1控制在1×10-5以內(nèi)留了余地。

某學(xué)校屋面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)大小為90 m×19 m×15 m(長(zhǎng)×寬×高),運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中間無(wú)法安裝架高的接閃器,只能在屋面周邊裝設(shè)接閃帶。在女兒墻上架設(shè)圍欄,并在其上裝設(shè)接閃帶,高度為3.5 m,按滾球半徑為45 m核算,正好可保護(hù)屋面活動(dòng)空間。

ND=3.57×1 710×1/106=0.006 104 7

PA=1×0.023 1=0.023 09

LA=1×1×1 800/8 760=0.205 5

RF=2.897×10-5

RF>1×10-5,但超標(biāo)不多,可以想辦法將其降低。由于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中不能增加接閃器,圍欄高度無(wú)法再加高(已有3.5 m),前例(停車場(chǎng))的方法(減小最大滾球半徑)不能采用。

可通過(guò)增加防護(hù)措施,將參數(shù)PT降低到0.1或更低,主要是采用一些管理手段,如設(shè)置警示牌、加強(qiáng)安全教育、專設(shè)管理人員、在多雷電的季節(jié)限制使用等,也可增加一些技術(shù)手段(如使用雷電預(yù)警系統(tǒng))。

13 結(jié) 語(yǔ)

要降低屋面露天場(chǎng)所人員直接遭受雷擊的危險(xiǎn),主要可通過(guò)以下三個(gè)方面的手段:

(1) 降低閃電擊中層面活動(dòng)空間導(dǎo)致人員傷害的損失概率,在屋面上盡量只建人員少、停留時(shí)間短的場(chǎng)所(如停車場(chǎng)),少建有大量人員長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)的場(chǎng)所(如運(yùn)動(dòng)場(chǎng))。

(2) 降低閃電穿過(guò)接閃器,擊中屋面活動(dòng)空間的概率,盡可能發(fā)揮接閃器的作用,降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)的作用,在條件允許時(shí)可提高設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)(減小最大滾球半徑)。

(3) 降低雷擊屋面活動(dòng)空間造成人員傷害的概率,采用各種手段,使人們盡量避開雷擊。

因此,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,需要進(jìn)行科學(xué)合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理方法,才能有效地降低雷電的危害,保護(hù)人身安全。

[1] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50057—2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 楊偉民,李陽(yáng)斌,李翠華.高層民用建筑雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估設(shè)計(jì)思想及實(shí)例分析[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014,5(5):49-52.

Direct Lightning Protection in Open Space of Building Roof

YANG Xiaodong

(Jiangsu Archi-center Architectural Design Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

According to the theory of rolling ball method and the electro-geometric model,people in open space of building roof may be injured by the direct lightning strikes,even if the lightning arrester was set up.This paper analyzed the calculating of risk evaluating.According to the calculating results,the corresponding protection measures were proposed by the risk management method in order to reduce the damage of the direct lightning strike.

open space of building roof; direct lightning strikes; protective range of lightning arrester; risk management

楊曉東(1969—),男,高級(jí)工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)方面的研究。

TU 856

B

1674-8417(2015)01-0019-05

2014-10-15